金属材料学第10章铜合金

1、10 铜及铜合金copper alloyn铜是人类最早使用的，也是目前应用最广的金属材料之一。n应用： 广泛用于电缆、电器广泛用于电缆、电器核电子设备的导电材料、核电子设备的导电材料、各种热交换器的传热材各种热交换器的传热材料、建筑材料以及装饰料、建筑材料以及装饰品等。品等。随着科学技术的发展，使用范围不断扩大，如大规模集成随着科学技术的发展，使用范围不断扩大，如大规模集成电路、超导电线、超导电磁体、磁力悬浮铁路、核聚变装电路、超导电线、超导电磁体、磁力悬浮铁路、核聚变装置以及形状记忆合金等方面都有应用。置以及形状记忆合金等方面都有应用。Cu-Cr-Zr棒坯棒坯 20mm(a)20mm未施加电

2、磁场时铸坯的表面和凝固组织未施加电磁场时铸坯的表面和凝固组织 施加电磁场后铸坯的表面和凝固组织施加电磁场后铸坯的表面和凝固组织 一、纯一、纯 铜铜密度密度8.94, 熔点熔点1083, 无晶形转变无晶形转变 导电、导热性好，仅次于银导电、导热性好，仅次于银 化学稳定性好，耐蚀化学稳定性好，耐蚀 成形加工性优良，可焊，无磁成形加工性优良，可焊，无磁热脆：热脆：Bi / Pb在晶界处形成低熔点组织；在晶界处形成低熔点组织；冷脆：冷脆：S / O Cu2O、CuS，硬脆，硬脆二、杂质对纯铜性能的影响二、杂质对纯铜性能的影响n工业纯铜中通常有工业纯铜中通常有0.1-0.5杂质（杂质（Pb，Bi，O，S

3、，P等），它们对铜的力学性能和物理性能及工艺性能有很等），它们对铜的力学性能和物理性能及工艺性能有很大影响大影响n导电性：使铜的导电性能下降导电性：使铜的导电性能下降n热脆：热脆：Pb，Bi等杂质能与铜形成低熔点的共晶体（等杂质能与铜形成低熔点的共晶体（CuPb）、（）、（CuBi） ，铜在加热时，这些共晶体发生，铜在加热时，这些共晶体发生熔化，形成热脆熔化，形成热脆n冷脆，冷脆，P，S，O与铜形成与铜形成CuCu3P， Cu CuS ，CuCu2O共晶体，属脆性化合物，冷加工时易产生裂纹共晶体，属脆性化合物，冷加工时易产生裂纹n氢病氢病 ，O含量过高，易引起氢病含量过高，易引起氢病 。指含氧

4、铜在氢气或还。指含氧铜在氢气或还原性气氛（原性气氛（CO、CH4）中退火时发生自动变脆或开裂的）中退火时发生自动变脆或开裂的现象。其本质：现象。其本质： H2O=H2 O COO= CO2n三、工业纯铜的牌号及应用三、工业纯铜的牌号及应用n工业纯铜工业纯铜(T1-T3)，数字越大纯度越低。，数字越大纯度越低。wO约约0.020.1，导电导热性好（作太阳能热，导电导热性好（作太阳能热水器），耐蚀性好（作电线）。水器），耐蚀性好（作电线）。n脱氧铜脱氧铜(TP1-TP2)，wO小于小于0.01。耐热，导。耐热，导电性好，（作真空仪表）电性好，（作真空仪表）n无氧铜无氧铜(TU0-TU2)，wO极低

5、（极低（1, 缩小缩小相区；相区；K1,扩大扩大相区。相区。n常用牌号有常用牌号有HPb63-3、HAl60-1-1、HSn62-1、HFe59-1-1、ZCuZn38Mn2Pb2、ZCuZn16Si4 等。等。n主要用于船舶及化工零件，如冷凝管、齿轮、螺旋桨、主要用于船舶及化工零件，如冷凝管、齿轮、螺旋桨、轴承、衬套及阀体等。轴承、衬套及阀体等。 锡黄铜在普通黄铜中锡黄铜在普通黄铜中+0.51.5%Sn，强强度和硬度及耐蚀性，改善切削加工性。度和硬度及耐蚀性，改善切削加工性。 锡黄铜主要以管、棒、板材大量用于舰艇制锡黄铜主要以管、棒、板材大量用于舰艇制造工业造工业，如冷凝管、船舶零件、船舰焊

6、接件的如冷凝管、船舶零件、船舰焊接件的焊条等，故有焊条等，故有海军黄铜海军黄铜之称。之称。H62-1 海军黄铜铸造组织 ( 化染 )铝黄铜铝黄铜 黄铜中加入少量铝（黄铜中加入少量铝（0.73.5%）可在表面形）可在表面形成致密和牢固的成致密和牢固的Al2O3膜，膜，耐蚀性。铝能细化耐蚀性。铝能细化晶粒，晶粒，硬度和强度。但硬度和强度。但2% Al时塑韧性时塑韧性。 含含2%Al、20% Zn的铝黄铜具有最高热塑性，的铝黄铜具有最高热塑性，所以所以HAl77-2合金得到广泛应用。合金得到广泛应用。 含铝特殊黄铜焊接比较困难，且有高的应力含铝特殊黄铜焊接比较困难，且有高的应力腐蚀倾向，必须进行充分

7、低温退火加以消除。腐蚀倾向，必须进行充分低温退火加以消除。镍黄铜镍黄铜 添加镍可扩大添加镍可扩大相区，故双相黄铜添加适相区，故双相黄铜添加适当的镍可转变为单相黄铜。镍能当的镍可转变为单相黄铜。镍能强度、韧强度、韧性、耐蚀性及耐磨性。镍黄铜适合于冷、热性、耐蚀性及耐磨性。镍黄铜适合于冷、热加工。镍黄铜具有小的应力腐蚀破裂倾向，加工。镍黄铜具有小的应力腐蚀破裂倾向，可用来制造海船工业的压力表及冷凝管等，可用来制造海船工业的压力表及冷凝管等，还可作锡磷青铜的代用品还可作锡磷青铜的代用品。 硅黄铜硅黄铜 加入加入1.54.0%Si，能，能黄铜在海黄铜在海水中的耐蚀性以及抗应力腐蚀能力，改善铸水中的耐蚀

8、性以及抗应力腐蚀能力，改善铸造性和焊接性。造性和焊接性。HSi80-3硅黄铜显微组织为硅黄铜显微组织为+，主要用于舰船制造和其它工业中的耐，主要用于舰船制造和其它工业中的耐蚀零件和接触蒸汽的配件等。蚀零件和接触蒸汽的配件等。硅黄铜硅黄铜 硅黄铜铸造组织 ( 化染 ) 50铅黄铜铅黄铜 HPb74-3是单相是单相铅黄铜，铅呈细小质点分铅黄铜，铅呈细小质点分布在晶界；布在晶界；HPb59-1是双相（是双相（+）铅黄铜。）铅黄铜。因为因为HPb59-1切削性特别好，称为切削性特别好，称为易切黄铜易切黄铜，有足够高的强度、耐磨性和耐蚀性。广泛用作有足够高的强度、耐磨性和耐蚀性。广泛用作钟表机芯的基础部

9、件和汽车、拖拉机等机械零钟表机芯的基础部件和汽车、拖拉机等机械零件如衬套、螺钉、电器插座等。件如衬套、螺钉、电器插座等。 铅黄铜铸造组织 ( 化染 )70挤压态挤压态n除黄铜和白铜外的其他铜合除黄铜和白铜外的其他铜合金统称为青铜。金统称为青铜。 青铜制品青铜制品 10.2青铜青铜bronze10.2.1青铜的牌号及表示方法青铜的牌号及表示方法牌牌号号表表示示 “Q”加上第一个主加元素化学符号及加上第一个主加元素化学符号及含量再加上其它合金元素含量。含量再加上其它合金元素含量。 如如QSn4-3为含为含4%Sn，3% Zn锡青铜；锡青铜； 铸造青铜：铸造青铜：“Z”表示铸造，表示铸造，“Cu”表

10、示表示铜基体。如铜基体。如ZCuPb30表示铸造铅青铜，表示铸造铅青铜，铅的平均质量分数为铅的平均质量分数为30%10.2.2、锡青铜、锡青铜n是以锡为主加元素的铜合金，锡是以锡为主加元素的铜合金，锡含量一般为含量一般为314%。n是最古老的铜合金，我国应用已是最古老的铜合金，我国应用已有有2000年历史，年历史，如古代的鼎、钟、如古代的鼎、钟、武器、铜镜等。武器、铜镜等。 n锡青铜铸造流动性差，铸件密度锡青铜铸造流动性差，铸件密度低，易渗漏，但体积收缩率在有低，易渗漏，但体积收缩率在有色金属中最小色金属中最小 。n锡青铜耐蚀性良好，在大气、海锡青铜耐蚀性良好，在大气、海水及无机盐溶液中的耐蚀

11、性比纯水及无机盐溶液中的耐蚀性比纯铜和黄铜好，但在硫酸、盐酸和铜和黄铜好，但在硫酸、盐酸和氨水中的耐蚀性较差。氨水中的耐蚀性较差。 锡青铜锭锡青铜锭东汉晚期的青铜奔马（马踏飞燕）东汉晚期的青铜奔马（马踏飞燕）香港大屿山天坛大佛香港大屿山天坛大佛(高高26.4m) 20世纪世纪90年代初竣工锡青铜年代初竣工锡青铜n586 共析：共析：n- -Cu5Sn - -CuSn n350共析：共析：n - -Cu3Snn当当w Sn在在730时，铸造时，铸造锡青铜得到锡青铜得到 （ ） 组织，组织， n而非而非+ +（ ）组织。）组织。一、锡青铜中的组织图10.6Cu-Sn 二元相图组组织织是是Sn固溶于

12、固溶于Cu固溶体，固溶体，FCC结构；结构；是是电子化合物电子化合物Cu5Sn为基的固溶体；为基的固溶体；是是CuSn化合物为基的固溶体；化合物为基的固溶体；是电子化合物是电子化合物Cu31Sn8；是电子化合物是电子化合物Cu3Sn。 锡青铜的显微组织与锡含量和合金状锡青铜的显微组织与锡含量和合金状态有关。态有关。性性能能 较高强度、硬度和耐磨性较高强度、硬度和耐磨性 。 Sn,强度强度，当，当Sn6%后，后， 伸伸长率长率;Sn20%，出现大量，出现大量相，合金变相，合金变脆，强度脆，强度 。因此，工业用。因此，工业用Sn青铜的青铜的Sn含量均在含量均在314%之间。之间。 Sn 78%的合

13、金，有高的塑性和强的合金，有高的塑性和强度，适用于塑性加工；度，适用于塑性加工； 含含Sn10%的合金，因塑性低，只适的合金，因塑性低，只适用于铸造用。用于铸造用。塑性在塑性在7处最佳，强度在处最佳，强度在27处最高。处最高。图图10.8ZQSn-10铸态铸态 +（+）共析组织）共析组织图10.7图图10.11含铅青铜铸态组织含铅青铜铸态组织图图10.9含磷锡青铜铸态组织含磷锡青铜铸态组织l主要用于耐蚀承载件主要用于耐蚀承载件,如如弹簧、轴承、齿轮轴、弹簧、轴承、齿轮轴、蜗轮、垫圈等。蜗轮、垫圈等。 锡青铜管锡青铜管船用青铜船用青铜软管快速软管快速接头阀接头阀( (锡锡青铜阀体、青铜阀体、阀盖

14、阀盖) )n二、常用锡青铜用途二、常用锡青铜用途特特点点 强度和耐蚀最好，应用广泛。是锡青铜强度和耐蚀最好，应用广泛。是锡青铜的重要代用品，但铸造性和焊接性较差。的重要代用品，但铸造性和焊接性较差。铝铝作作用用 Al，强度和硬度，强度和硬度，塑性，塑性。当。当Al1011%时，时，强度强度、塑性均塑性均。由于由于出现了硬脆出现了硬脆2相所致。相所致。 12% Al 。压力加工用铝青铜压力加工用铝青铜Al 57%.应应用用 铝青铜应用较广泛。用于制造耐磨、耐铝青铜应用较广泛。用于制造耐磨、耐蚀和弹性零件，如齿轮、轴套、弹簧以及蚀和弹性零件，如齿轮、轴套、弹簧以及船舶制造中的特殊设备等船舶制造中的

15、特殊设备等10.2.3. 铝青铜铝青铜Al9.4%:565 +2 - Cu9Al4 （层片状）（层片状）QAl-10-4-4（含Al10，Fe4，Ni4）组织为组织为、2。铝青铜的组织与相变铝青铜的组织与相变图10.9QAL10 铸态铸态 (白色白色)+(+2)共析共析(黑色黑色)QAL10 固溶处理固溶处理930淬火淬火 (相当于相当于M)10.2.4.铍青铜铍青铜n以铍为主加元素的铜合金，铍含量为以铍为主加元素的铜合金，铍含量为1.72.5%。n具有高的强度、弹性极限、耐磨性、耐蚀性，良好的导电具有高的强度、弹性极限、耐磨性、耐蚀性，良好的导电性、导热性、冷热加工及铸造性能，但价格较贵。性

16、、导热性、冷热加工及铸造性能，但价格较贵。 “弹性弹性之王之王”称号。称号。l常用牌号有常用牌号有QBe2、QBe1.7、QBe1.9等等 。l用于重要的弹性件、耐磨件，用于重要的弹性件、耐磨件，如精密弹簧、膜片，高速、高如精密弹簧、膜片，高速、高压轴承及防爆工具、航海罗盘压轴承及防爆工具、航海罗盘等重要机件等重要机件。铍青铜带材性性能能特特点点 淬火状态塑性淬火状态塑性好好，可冷加工成管、棒、带材等，可冷加工成管、棒、带材等各种型材。若经过固溶处理及冷变形后，不仅能各种型材。若经过固溶处理及冷变形后，不仅能提高强度（提高强度（b可可1200MPa），而且能），而且能 p ，特别适用于特别适用

17、于仪表弹簧仪表弹簧处处理理特特点点 固溶处理和快冷是为了获得过饱和固溶体，固溶处理和快冷是为了获得过饱和固溶体，时效强化。铍青铜淬火时时效强化。铍青铜淬火时必须严格控制加热温必须严格控制加热温度度。否则会产生过热和过烧。加热温度过低，富。否则会产生过热和过烧。加热温度过低，富铍相不能充分溶解，铍相不能充分溶解，沉淀硬化能力沉淀硬化能力 Cu-Be合金的时效过程也是合金的时效过程也是过饱和固溶体的脱溶沉淀过过饱和固溶体的脱溶沉淀过程，其时效序列：程，其时效序列： 过饱和固溶体过饱和固溶体G.P.区（或区（或）（共格）（共格） （半共格）（半共格） 2 淬火温度淬火温度780800，时，时效温度为

18、效温度为300350，淬，淬火介质为水。火介质为水。图10.10黄黄铜铜普通普通黄铜黄铜特殊特殊黄铜黄铜金色金色黄铜黄铜：H96;弹壳弹壳 :H70;商业商业：H6232%Zn,+海军黄铜：海军黄铜：HSn70-1 耐腐蚀性好耐腐蚀性好易切黄铜：易切黄铜：HPb59-1 可切削性好可切削性好商业黄铜：商业黄铜：HAl77-2 热塑性好热塑性好青青铜铜锡锡青铜青铜铝铝青铜青铜铍铍青铜青铜 67% %Sn，压力加工；，压力加工；1014% % Sn，铸造，铸造. 铸造性比黄铜差，耐蚀性比黄铜好铸造性比黄铜差，耐蚀性比黄铜好.+P、Zn、Ni等元素，为多元等元素，为多元锡青铜锡青铜. .如如QSn4

19、-3: Sn-4%左右左右,Zn-3%左右左右大部分多元：大部分多元：Cu、Al+Mn、Fe、Ni等等.如如Q Al9-2，+2%左右左右Mn比黄铜比黄铜锡青铜有更锡青铜有更高强度和硬度，更好的耐磨高强度和硬度，更好的耐磨性和耐蚀性，塑性较差。性和耐蚀性，塑性较差。 如如QBe2. 具有高具有高b bp p , ,耐磨，抗蚀，受冲击无耐磨，抗蚀，受冲击无火花。经淬火时效后，火花。经淬火时效后，b b可达可达1200MPa测验题1. 下列是什么材料？下列是什么材料？(1) ZL108(2) KTH370-12(3) B30(4) QAl5(5) QT90022下列是什么材料？数字字母含义？下列是什么材料？数字字母含义？(1) H68(2) HT300(3) QBe1.9(4) KTB45007(5) ZCuZn38作业n 1.防绣铝合金（ ）；硬铝合金（ ）；超硬铝合金（ ）；铸造铝合金（ ）；普通黄铜( )；铸造黄铜（ ）；锡青铜（ ）；铍青铜（ ）；n (a)HPb59-1 (b)3A21 (c)ZCuZn38 (d)7A75 (e)QB